bab irepository.unpas.ac.id/28683/4/6.bab iii-ku.docx · web viewbab iii perancangan konstruksi...

BAB III PERANCANGAN KONSTRUKSI MESIN UJI PUNTIR

BAB IIIPERANCANGAN KONSTRUKSI MESIN UJI PUNTIR

Pada bab ini dibahas tentang komponen utama mesin uji

puntir dan perancangan komponen-komponen mesin uji puntir.

Komponen-komponen mesin uji puntir yang dirancang meliputi

poros, spesimen uji puntir, pasak, baut dan mur, bantalan, slider,

tuas pemutar, kopling tetap, dan piringan sensor.

3.1 Komponen Utama Mesin Uji Puntir

Mesin uji puntir yang dirancang terdiri dari beberapa

komponen utama. Komponen utama tersebut meliputi kepala

puntir, sistem pencekam, perangkat pengukur torsi, dan meja

(rangka).

3.1.1 Kepala Puntir

Kepala puntir merupakan bagian mesin uji puntir yang

berfungsi sebagai pemberi beban puntiran pada saat proses

pengujian. Kepala puntir terdiri beberapa komponen yang berada

dalam satu bagian yaitu tuas pemutar, piringan sensor, bantalan,

kopling, dan gearbox. Kepala puntir yang dirancang dapat dilihat

pada gambar 3.1.

Tuas pemutar berfungsi sebagai alat pemutar untuk

menggerakkan poros input. Putaran tersebut diteruskan dan

direduksi oleh rodagigi yang berada didalam gearbox. Akibatnya

Rancang Bangun Mesin Uji Puntir (Studi Kasus : Perancangan KonstruksiMesin Uji Puntir) III-32


poros output dapat bergerak dan putaran yang dihasilkan lebih

kecil.

Gambar 3.1 Kepala Puntir

Pada tuas pemutar dipasang piringan sensor. Piringan

sensor yang dipasang pada tuas pemutar berfungsi sebagai alat

bantu pendeteksi putaran saat proses pengujian. Pada piringan

sensor tersebut dipasang baut dan mur yang terbuat dari logam

sebanyak 12 buah. Baut dan mur dideteksi oleh sebuah alat

pendeteksi logam. Alat pendeteksi logam yang digunakan adalah

sensor proximity.

Sensor proximity adalah sensor yang dapat mendeteksi

ada atau tidaknya suatu benda. Benda yang dapat dideteksi

adalah benda yang terbuat dari logam. Sensor proximity dipasang

di depan baut dan mur dengan jarak maksimal 5 mm. Pada saat

proses pengujian piringan berputar sehingga sensor proximity

dapat mendeteksi baut dan mur setiap tuas pemutar berputar

dengan sudut tertentu.



Gearbox berfungsi untuk mereduksi putaran poros input.

Putaran poros output tergantung pada tingkat reduksi gearbox.

Pada rancangan ini digunakan gearbox dengan tingkat

reduksi 1 : 40.

3.1.2 Sistem Pencekam

Pada dasarnya fungsi sistem pencekam adalah untuk

menjepit spesimen dengan kuat agar spesimen tidak bergeser

atau lepas pada saat dilakukan pengujian. Jenis pencekam yang

dipakai pada rancangan ini adalah pencekam tipe chuck.

Pencekam yang digunakan adalah three jaw chuck (chuck

dengan 3 pencekam).

Dalam sistem pencekam terdapat komponen pendukung

konstruksi sistem pencekam. Komponen tersebut adalah kopling

dan bantalan. Kopling berfungsi sebagai penerus putaran dari

poros output gearbox ke poros pencekam. Bantalan berfungsi

sebagai penahan beban yang terjadi pada poros. Sistem

pencekam yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.2.



Gambar 3.2 Sistem Pencekam

3.1.3 Perangkat Pengukur Torsi

Pada perangkat pengukur torsi terdapat beberapa

komponen yaitu load cell, poros penekan load cell, slider,

landasan slider, dan landasan tetap slider. Load cell berfungsi

sebagai pengukur gaya yang dihasilkan oleh poros yang

menekan load cell pada saat proses pengujian. Hasil pengukuran

gaya ini dikonversikan menjadi torsi. Slider berfungsi untuk

memberikan ruang gerak perangkat pengukur torsi. Perangkat

pengukur torsi dapat dilihat pada gambar 3.3.



Gambar 3.3 Perangkat Pengukur Torsi

3.1.4 Kerangka Mesin Uji Puntir (Meja)

Pada saat proses pengujian puntir berlangsung,

kerangka mesin uji puntir termasuk bagian mesin uji puntir yang

akan mengalami pembebanan. Hal ini disebabkan karena

distribusi gaya-gaya dari mekanisme pencekam akan diteruskan

ke kerangka mesin uji puntir. Semua ini terjadi karena mekanisme

tersebut dipasang pada kerangka. Pada rancangan ini jenis profil

baja yang dipakai untuk rangka adalah profil baju tipe U dengan

ukuran 50 x 50 x 10 mm. Kerangka mesin uji puntir dapat dilihat

pada gambar 3.4.



Gambar 3.4 Rangka Mesin Uji Puntir

3.2 Perancangan Poros

Pada perancangan komponen mesin uji puntir terdapat

perancangan beberapa poros. Poros yang dirancang meliputi

poros input dari gear box (poros 1), poros output dari gearbox

(poros 2), poros penekan load cell, dan poros slider. Beberapa

poros tersebut dirancang dan dihitung dimensi porosnya untuk

menentukan torsi dan momen lentur yang masih dapat ditahan

oleh material. Selain didapatkan torsi dan momen, faktor

keamanan juga didapatkan dari perancangan poros yang

dirancang.

3.2.1 Menghitung Momen Lentur dan Diameter Awal di Poros Penekan Load Cell

Posisi poros penekan load cell yang dihitung dan

dirancang dapat dilihat pada gambar 3.5 (bagian yang



berwarna merah). Diagram benda bebas poros penekan load cell

dapat dilihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.5 Perangkat Pengukur Torsi (Poros Penekan Load Cell)

Gambar 3.6 Diagram Benda Bebas Poros Penekan Load Cell

Jenis material yang digunakan pada perancangan poros

penekan load cell adalah baja St 37 dengan kekuatan mulur

sebesar 340 MPa. Panjang poros yang dirancang

sebesar 170 mm (L) dengan asumsi faktor keamanan poros

sebesar 3. Gaya maksimum load cell yang diberikan oleh

poros penekan load cell sebesar 50.000 N (F2). Dari diagram



benda bebas tersebut dapat dihitung momen lentur yang terjadi

pada poros dan diameter poros penekan load cell.

Momen lentur yang dihitung adalah perkalian antara gaya

maksimum load cell (F) dengan panjang poros (L) yang

dirancang. Setelah mendapatkan momen lentur yang bekerja,

diameter maksimum poros dihitung dengan memasukkan momen

lentur,faktor keamanan dan kekuatan mulur.

Menghitung momen lentur

Ml = F × l

= 50.000 × 170

= 8.500.000 N.mm

Menghitung diameter poros

d = 3√ 32 × FS × Ml π × Sy

= 3√ 32 × 3 × 8.500.000 π × 340

= 91,4 mm

Dari hasil perhitungan didapatkan momen lentur yang

terjadi pada poros sebesar 8.500.000 N.mm. Diameter poros

penekan load cell sebesar 91,4 mm. Poros dengan diameter

tersebut tidak mungkin dirancang karena diameter yang

dibutuhkan terlalu besar. Oleh karena itu, diameter poros

penekan load cell perlu ditentukan dan gaya yang dapat

ditahan oleh poros perlu dihitung.



Perhitungan gaya yang dapat ditahan oleh poros, dimulai

dari menghitung tegangan yang diizinkan. Tegangan yang

diizinkan merupakan perbandingan antara kekuatan mulur

dengan faktor keamanan yang ditentukan.

Tegangan-tegangan yang terjadi pada poros yang dapat

ditahan oleh gaya adalah tegangan normal dan tegangan geser.

Tegangan normal merupakan tegangan yang bekerja pada poros

yang diakibatkan oleh momen lentur. Tegangan geser merupakan

tegangan yang bekerja pada poros yang diakibatkan oleh gaya

geser.

Tegangan yang diizinkan

σa = Sy

FS = 340

3 = 113,3 MPa

Tegangan Normal (σ)

σ = Ml × y Ib

= Ml × d

2 π . d 4

64

σ = 32 × Ml π . d 3

= 32 × 170.F π . 203

= 0,22.F N /mm2

Tegangan Geser (τ)



τ = F A

= F π . d2

4

=4.F π. d2 =

4.F 1256

= 0,0032.F N /mm2

Karena adanya tegangan normal dan tegangan geser

yang bekerja pada poros, terjadi kombinasi antara tegangan

normal dan tegangan geser yang disebut tegangan ekivalen.

Tegangan ekivalen ini dapat digunakan untuk mencari gaya yang

bekerja pada poros. Besar tegangan ekivalen sama dengan

besar tegangan yang diizinkan.

Tegangan Ekivalen

σekivalen = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ 2

113,33 = 0,22.F 2

+ √( 0,22.F 2 )

2

+ 0,0032.F2

113,33 = 0,216.F

F = 113,33 0,216

F = 523,60 N



Momen lentur yang bekerja pada batang penekan load

cell yang dirancang dapat dihitung dengan memasukkan gaya

yang bekerja pada poros.

Ml = F × l

= 523,60 × 170

= 89.007,63 N.mm

Dari perhitungan diatas, didapatkan momen lentur

maksimum yang dapat ditahan oleh poros penekan load cell

sebesar M l = 89.007,63 N.mm dan gaya maksimum yang

dapat ditahan oleh poros penekan load cell sebesar,

F = 523,60 N. Setelah didapatkan momen lentur pada

perancangan poros load cell, torsi yang bekerja pada poros

sama dengan momen lentur yang bekerja pada poros load cell

yaitu sebesar,T = 89.007,63 N.mm3.2.2 Menghitung Faktor Keamanan di Poros 2

Posisi poros 2 pada konstruksi mesin uji punter dapat

dilihat pada gambar 3.7 (bagian yang berwarna merah). Diagram

benda bebas poros 2 dapat dilihat pada gambar 3.8.



Gambar 3.7 Poros 2

Poros 2 merupakan poros yang berfungsi sebagai tempat

chuck. Poros 2 ditopang oleh bantalan. Bentuk poros tersebut

merupakan poros bertingkat. Setiap segmen poros memiliki

diameter yang berbeda-beda. Segmen pertama memiliki diameter

sebesar 17 mm, segmen kedua memiliki diameter sebesar 20

mm, segmen ketiga memiliki diameter sebesar 22 mm,

segmen keempat memiliki diameter sebesar 80 mm, dan segmen

kelima memiliki diameter sebesar 55 mm.



Gambar 3.8 Diagram Benda Bebas Poros 2

Jenis material yang digunakan pada perancangan

poros 2 adalah baja St 37 dengan kekuatan mulur sebesar

340 MPa. Gaya F1 merupakan gaya maksimum yang dapat

ditahan oleh poros penekan load cell. Gaya tersebut bekerja

pada ujung poros yang memiliki nilai sebesar 523,60 N (F1).

Gaya F2 dan gaya F3 merupakan gaya yang dapat ditahan

oleh bantalan terhadap poros. Gaya-gaya tersebut perlu dihitung.

Perhitungan dimulai dari membuat diagram benda bebas poros

dan menghitung reaksi kesetimbangan poros. Torsi yang bekerja

pada poros berasal dari momen lentur yang bekerja pada poros

load cell. Torsi yang bekerja pada poros sebesar 89.007,63 N.

Diagram benda bebas poros dapat dilihat pada gambar 3.9. Dari

diagram benda bebas tersebut dapat dihitung nilai F2 dan F3

dengan menggunakan hokum kesetimbangan.



Gambar 3.9 Diagram Benda Bebas Poros

∑ Fy = 0 ; R ay + Rby – F3 = 0 ≪≫ Ray + 523,60 = F3

∑ MA = 0 ;

Rby .64 – F3.16 = 0

(523,69.64) = F3.16

F3 = 2.094,4 N

≪≫ R ay + 523,60 = F3

R ay + 523,60 = 2.094,4

R ay = 1.570,8 N

Dari perhitungan diatas, didapatkan gaya F2 sebesar

1.570,8 N dan gaya F3 sebesar 2.094,4 N. Dari hasil

perhitungan tersebut dapat dihitung tegangan-tegangan yang

terjadi pada setiap segmen pada poros. Setelah tegangan-

tegangan yang terjadi diketahui, faktor keamanan dapat diketahui

dari perancangan poros yang dirancang.



3.2.2.1 Faktor Keamanan di Segmen 1

Perubahan bentuk yang terjadi pada poros bertingkat

akan menimbulkan pemusatan tegangan. Pemusatan tegangan

tersebut mengakibatkan tegangan yang terjadi dibagian poros

bertingkat lebih besar jika dibandingkan dengan tegangan

nominal. Untuk menyatakan hubungan antara tegangan yang

terjadi dengan tegangan nominal dibutuhkan sebuah konstanta

yang disebut faktor konsentrasi tegangan.

Segmen 1 menerima beberapa beban. Beban tersebut

berupa gaya aksial, momen lentur, dan momen puntir (torsi).

Diagram benda bebas segmen 1 dapat dilihat pada gambar 3.10.

Gambar 3.10 Diagram Benda Bebas Segmen 1 Dari diagram benda bebas seperti pada gambar 3.14

dapat ditentukan nilai momen lentur Ml.

∑ MA = 0;

Ml – (F1)(22) = 0

Ml = 523,60 x 22

Ml = 11.519,2 N.mm



Secara umum, nilai konsentrasi tegangan dapat dihitung

dengan menggunakan rumus K = B . (rd1 )

a

. Nilai B dan a

dapat dilihat pada tabel faktor konsentrasi tegangan (tabel 3.1).

Nilai B dan a pada tabel 3.1 ditentukan oleh perbandingan antara

diameter besar dengan diameter kecil. Nilai r merupakan jari-jari

kelengkungan yang telah ditentukan.

Tabel 3.1Faktor Konsentrasi Tegangan

D/d B a1,09 0,903 -0,1271,20 0,833 -0,2162,00 0,863 -0,239

D/d = 20/17 = 1,18

B = 0,848 dan a = -0,197

K = B . (rd1 )

a

= 0,848 .( 4 17 )

-0,197

= 1,29

Setelah nilai konsentrasi tegangan diketahui, langkah

selanjutnya menghitung tegangan geser nominal dan tegangan

normal nominal.

Tegangan Geser Nominal



τ = 16 × Tπ × d13 = 16 × 89.007,63

π×173 = 92,31 N /mm2

Tegangan Normal Nominal

σ = M l × y I

= 32 × M l

π× d3

= 32 × 11.519,2 π × 173

= 23,89 N /mm2

Tegangan geser maksimum yang terjadi merupakan

perkalian antara tegangan geser nominal dengan konsentrasi

tegangan. Tegangan normal maksimum yang terjadi merupakan

perkalian antara tegangan normal nominal dengan konsentrasi

tegangan.

Tegangan Geser Maksimum

τmax= K × τ = 1,29 × 92,31

= 119,07 N /mm2

Tegangan Normal Maksimum

σmax = K × σ = 1,29 × 23,89

= 30,81 N /mm2

Karena tegangan yang bekerja pada penampang

potongan merupakan tegangan geser dan tegangan normal,



kedua tegangan tersebut dapat diubah menjadi tegangan

ekivalen.

σek = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ2

= 30,81 2

+√( 30,81 2 )

2

+ (119,07 )2

= 15,40 + 120,06 = 135,46 N /mm2

Faktor keamanan dapat dicari dengan membandingkan

kekuatan material dengan tegangan ekivalen.

FS = σy

σek = 340

135,46 = 2,5

3.2.2.2 Faktor Keamanan Di Segmen 2

Diagram benda bebas segmen 2 dapat dilihat pada

gambar 3.11. Dari diagram benda bebas tersebut dapat

ditentukan nilai momen lentur Ml.



Gambar 3.11 Diagram Benda Bebas Segmen 2 ∑ MA = 0;

Ml – (F1)(32) = 0

Ml = 523,60 x 22

Ml = 16.755,2 N.mm

Nilai konsentrasi tegangan pada kasus ini dapat dihitung

dengan menggunakan rumus K = B . (rd1 )

a

. Nilai B dan a

dapat dilihat pada tabel faktor konsentrasi tegangan (tabel 3.2).

Nilai B dan a pada tabel 3.2 ditentukan oleh perbandingan antara



Tabel 3.2 Faktor Konsentrasi Tegangan

D/d B a1,01 0,972 -0,1021,10 0,923 -0,1972,00 0,890 -0,241



D/d = 20/17 = 1,18

B = 0,920 dan a = -0,201

K = B . ( r d1 )

a

= 0,920 . ( 4 17 )

-0,201

= 1,30



normal nominal.


τ = 16 × Tπ × d13 = 16 × 89.007,63

π×173 = 92,31 N /mm2


σ = M l × y I

= 32 × M l

π × d3

= 32 × 16.755,2π × 173

= 34,75 N /mm2





tegangan.




τ max = K × τ = 1,30 × 92,31

= 120,03 N /mm2


σmax = K × σ = 1,30 × 34,75

= 45,17 N /mm2




ekivalen. Tegangan ekivalen ini dapat digunakan untuk mencari

faktor keamanan.

σek = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ2

= 45,17 2

+√( 45,17 2 )

2

+ (120,03)2

= 22,5 + 122,13 = 144,63 N /mm2



FS = σy

σek = 340

144,63 = 2,3








Ml – (F1)(64) + (F3)(16) = 0

Ml – (523,60)(64) + (2.094,4)(16) = 0

Ml – 67.020,8 = 0

Ml = 67.020,8 N.mm

Nilai konsentrasi tegangan dapat dihitung dengan

menggunakan rumus K = B . (rd1 )

a

. Nilai B dan a dapat

dilihat pada tabel faktor konsentrasi tegangan (tabel 3.3). Nilai B

dan a pada tabel 3.3 ditentukan oleh perbandingan antara






D/d B a1,09 0,903 -0,1271,20 0,833 -0,2162,00 0,863 -0,239

D/d = 22/20 = 1,10

B = 0,897 dan a = -0,135

K = B . ( r d1 )

a

= 0,897 . ( 4 20 )

-0,135

= 1,30



normal nominal.


τ = 16 × Tπ × d13 = 16 × 89.007,63

π×203 = 57,40 N /mm2


σ = Ml × y I

= 32 × M l

π × d3



= 32 × 67.020,8π × 203

= 85,37 N / mm2





tegangan.


τ max = K × τ = 1,22 × 57,40 = 70,02 N /mm2


σmax = K × σ = 1,22 × 85,37 = 104,15 N /mm2




ekivalen.



σek = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ2

= 104,152

+√( 104,15 2 )

2

+ (70,02)2

= 52,07 + 87,25 = 139,3 N /mm2



FS = σy

σek = 340

139,3 = 2,5








Ml – (F2)(22) = 0

Ml = 1.570,8 x 22

Ml = 34.557,6 N.mm



a






D/d = 80/20 = 2,00

B = 0,863 dan a = -0,135



K = B . ( r d1 )

a

= 0,863 . ( 5 22 )

-0,239

= 1,33



normal nominal.


τ = 16 × Tπ × d13 = 16 × 89.007,63

π× 223

= 42,59 N /mm2


σ = Ml × y I

= 32 × M l

π × d3

= 32 × 34.557,6π × 223

= 33,07 N / mm2







tegangan.


τmax = K × τ = 1,33 × 42,59

= 56,64 N /mm2


σmax = K × σ = 1,33 × 33,07

= 43,9 N /mm2





faktor keamanan.

σek = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ2

= 43,92

+√( 43,9 2 )

2

+ (56,64 )2

= 2,73 + 60,74 = 82,6 N /mm2





FS = σy

σek = 340

82,6 = 4,1






Ml – (F2)(27) = 0



Ml = 1.570,8 x 27

Ml = 42.411,6 N.mm



a







D/d B a1,09 0,903 -0,1271,20 0,833 -0,2162,00 0,863 -0,239

D/d = 80/55 = 1,45

B = 0,843 dan a = -0,223

K = B . ( r d1 )

a

= 0,843 . ( 5 55 )

-0,223

= 1,30





normal nominal.


τ = 16 × Tπ × d13 = 16 × 89.007,63

π× 553 = 2,72 N /mm2


σ = Ml × y I

= 32 × M l

π × d3

= 32 × 42.411,6π × 553

= 2,59 N /mm2





tegangan.


τmax = K ×τ = 1,30 × 2,72

= 3,53 N /mm2




σmax = K × σ = 1,33 × 2,59

= 3,45 N /mm2





faktor keamanan.

σek = σ 2

+ √( σ 2 )

2

+ τ2

= 3,452

+√( 3,45 2 )

2

+ (3,53 )2

= 1,72 + 3,92 = 5,64 N /mm2



FS = σy

σek = 340

5,64 = 60,1

3.3 Perancangan Pasak



Pasak (key) merupakan sebuah elemen mesin yang

berbentuk silindrik, balok kecil, atau silindrik tirus yang fungsi

utamanya sebagai penahan elemen mesin. Pasak yang

dirancang berperan sebagai penetap elemen pada poros. Pasak

yang dirancang dipasang antara poros output gearbox dengan

kopling, kopling dengan poros 1 dan poros 2 dengan sambungan

poros load cell.

Selama proses pemakaian, pasak menerima gaya geser

sebagai beban utama. Gaya geser ini berasal dari torsi yang

berasal dari poros. Besarnya gaya geser pada pasak sangat

tergantung pada besarnya daya dan putaran yang ditransmisikan

melalui poros. Oleh karena itu, perancangan pasak biasanya

dilakukan setelah merancang poros. Jenis pasak yang digunakan

pada perancangan ini adalah pasak parallel persegi atau pasak

bujursangkar.

Pasak yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.15

(bagian yang berwarna biru). Diagram benda bebas rakitan poros

dan pasak dapat dilihat pada gambar 3.16.



Gambar 3.15 Pasak

Gambar 3.16 Diagram Benda Bebas Pasak Dari diagram benda bebas seperti pada gambar 3.20,

dapat ditentukan nilai Fr. Nilai F dan Fr merupakan gaya reaksi

dari kopling. Nilai Fr dapat dihitung dari diagram benda bebas

seperti pada gambar 3.20. F merupakan gaya dari poros. Fr

merupakan gaya dari kopling.

Pasak parallel persegi dan bujursangkar mempunyai

standar untuk menentukan spesifikasi pasak. Salah satu standar

yang dapat dipakai adalah standar ANSI B17.1-1967. Standar

tersebut dapat digunakan setelah menentukan dimensi poros

yang dirancang. Setelah mendapatkan dimensi poros, lebar (W)

dan tinggi (H) dapat diketahui. Data spesifikasi pasak dengan

diameter poros dapat dilihat pada tabel 3.5.

Tabel 3.5Data spesifikasi pasak vs diameter poros (satuan inch)



Diameter Poros Nominal

Ukuran nominal pasak

Lebar,WTinggi, H

Bujursangkar Persegi panjang

5/16 - 7/16 3/32 3/32 -

7/16 - 9/16 1/8 1/8 3/32

9/16 - 7/8 3/16 3/16 1/8

7/8 - 1 ¼ ¼ ¼ 3/16

1 ¼ - 1 ⅜ 5/16 5/16 ¼

Dalam merancang dan menghitung dimensi pasak perlu

diketahui terlebih dahulu data/parameter pasak yang digunakan.

Jenis material pasak diasumsikan menggunakan material

AISI 1020 dengan kekuatan mulur 330 MPa. Diameter pasak

yang dirancang sebesar 17 mm. Faktor keamanan diasumsikan

sebesar 3. Besarnya torsi yang ditimbulkan sebesar

89.007,63 N.mm. Dari tabel 3.5 didapatkan lebar pasak setelah

dikonversi menjadi satuan metrik (mm) sebesar 4,8 mm dan

tinggi pasak sebesar 4,8 mm.

Pada pasak terdapat gaya tangensial yang berupa gaya

geser. Gaya tangensial tersebut dapat dihitung dengan

membandingkan torsi yang bekerja poros dengan jari-jari poros.

Gaya Tangensial (F t)



F t = T

R= T

d2

= 89.011,79

17 2

= 10.471,98 N

Karena gaya yang bekerja pada pasak merupakan gaya

geser, kegagalan pada pasak kemungkinan akan terjadi.

Kegagalan pada pasak ada dua jenis yaitu kegagalan akibat

geseran dan kegagalan akibat tekanan. Kegagalan akibat

geseran menyebabkan pasak menerima tegangan geser (τ). Kegagalan akibat tekanan menyebabkan pasak menerima

tegangan normal (σ ).

τ = F A s

= F w × l

σ = F A p

= F h1 × l …….…………... Pers. 3-3

Dari persamaan 3-3 didapatkan panjang pasak dari

kegagalan akibat tegangan normal dan tegangan geser.

Panjang Pasak Akibat Tegangan Normal



l = F t × FS h1 × Sy

= 10.471,98 × 3 2,4 × 330

= 40,2 mm

Panjang Pasak Akibat Tegangan Geser

l = F t × FS w × Sy

= 10.471,98 × 3 4,8 × 330

= 20,08 mm


kekuatan material dengan gaya tangensial. Perhitungan faktor

keamanan pasak dimulai dari menghitung faktor keamanan pasak

akibat tegangan normal. Selanjutnya menghitung faktor

keamanan pasak akibat tegangan geser.

Faktor Keamanan Pasak Akibat Tegangan Normal

l =F t × FS1 h1 × Sy

FS = l1 × h1 × Sy Ft

=30 × 2,4 × 330 10.471,98

= 2,2

Faktor Keamanan Pasak Akibat Tegangan Geser



l = F t × FS1 w × Sy

FS= l1 × w × Sy F t

= 30 × 4,8 × 330 10.471,98 = 4.5

3.4 Perancangan Baut dan Mur

Sebuah baut adalah as pejal yang terdiri dari satu ujung

berulir dan ujung lain memiliki kepala. Baut biasanya

berpasangan dengan mur. Baut dan mur berfungsi untuk

menyambungkan dua buah komponen atau lebih secara

mekanik. Perancangan baut dan mur yang dirancang adalah baut

dan mur yang dipasang sebagai dudukan pencekam (chuck).

Perancangan baut dan mur bertujuan untuk mengetahui

gaya yang bekerja pada baut dan mur, gaya geser yang diterima

baut dan mur, dan menghitung faktor keamanan pada baut dan

mur yang dipasang. Posisi baut dan mur yang dirancang dapat

dilihat pada gambar 3.17 (bagian yang diberi warna merah).

Diagram benda benda bebas baut dan mur dapat dilihat

pada gambar 3.18.

Jenis material baut dan mur diasumsikan menggunakan

material AISI 1020 dengan kekuatan mulur 330 MPa. Jumlah

baut yang dirancang berjumlah 3 buah. Diameter baut yang

dirancang sebesar 4.5 mm. Jarak dari titik pusat poros ke titik



pusat baut sebesar 33,75 mm. Besarnya torsi yang

ditimbulkan sebesar 89.007,63 N.mm.

Gambar 3.17 Baut dan Mur

Gambar 3.18 Diagram Benda Bebas Pada Baut dan Mur

Perhitungan untuk mengitung faktor keamanan baut,

dimulai dari menghitung gaya yang bekerja pada baut. Gaya yang

bekerja pada baut merupakan perbandingan antara torsi dengan

jarak dari titik pusat poros ke titik pusat baut.

Gaya Yang Bekerja



T = F × r

F = T r

= 89.007,63 33,75

= 2.637,26 N

Setelah gaya yang bekerja diketahui, langkah selanjutnya

menghitung beban/gaya geser.

Menghitung Beban / Gaya Geser

F s = F Nb

= 2.637,26 3

= 879,09 N

Karena gaya yang bekerja pada baut merupakan gaya

geser, baut tersebut mengalami tegangan geser yang diizinkan

didalam baut. Tegangan geser yang diizinkan dapat dihitung

dengan membandingkan gaya geser yang bekerja dengan luas

penampang baut.

τ izin = F s

A s =

F s

π .d b

2

4

= 879,09 N

π . 4,52 mm4

= 879,09 N

15,89 mm2



= 55,27 MPa


kekuatan material dengan tegangan geser yang diizinkan.

FS =

Sy

2τizin

=

330 MPa 255,28 MPa

= 3,0

3.5 Perancangan Bantalan

Bantalan (bearing) adalah elemen mesin yang berfungsi

untuk menahan (mensupport) beban pada saat dua elemen

mesin saling bergerak relatif. Perancangan atau pemilihan

bantalan pada perancangan konstruksi mesin uji puntir dilakukan

setelah mendapatkan dimensi poros yang dirancang.

Pemilihannya juga disesuaikan dengan beban/gaya yang terjadi

pada tumpuan poros.

Diameter poros yang dirancang sebesar 20 mm dan

panjang poros sebesar 90 mm. Beban/gaya yang dapat ditahan

oleh bantalan berupa gaya radial. Sebelum melakukan pemilihan

jenis bantalan yang dipakai, terlebih dahulu menghitung besar

gaya yang dapat ditahan oleh bantalan.

Besar gaya yang dapat dihitung dengan membuat

diagram benda bebas poros yang menahan gaya radial dari

bantalan. Diagram benda bebas dapat dilihat pada gambar 3.19.



Dari diagram benda bebas tersebut dapat dihitung nilai Ray dan

Rby dengan menggunakan hukum kesetimbangan.

Gambar 3.19 Diagram Benda Bebas Poros

∑ Fy = 0 ; R ay + Rby - F = 0 R ay + 523,60 = F

∑ MA = 0 ; ( Rby¿ (90 ) – (F )(43 ) = 0 ¿ F = 1.095,90 N

≪≫ R ay + 523,60 N = -F

R ay + 523,60 N = 1.095,90 N

R ay = 572,3 N

Dari perhitungan diatas, didapatkan gaya F sebesar

1.095,90 N. Dari hasil perhitungan tersebut dapat ditentukan

jenis bantalan yang akan dipilih sesuai dengan diameter poros



dan gaya yang dapat ditahan oleh bantalan. Hubungan antara

diameter poros dengan besar gaya yang dapat ditahan oleh

bantalan dapat dilihat pada tabel 3.6. Jenis bantalan yang dipakai

dapat dilihat pada gambar 3.20.

Dari tabel 3.6 jenis bantalan yang sesuai dengan

diameter poros dan beban yang dapat ditahan oleh bantalan

adalah bantalan dengan nomor 6204 dengan spesifikasi sebagai

berikut :

Diameter dalam, d = 20 mm , Diameter luar, d = 47 mm , Lebar, B = 14 mm , Basic Static Load Rating = 1.400 lb , dan Basic Dynamic Load Rating = 2.210 lb

Tabel 3.6Bantalan Ball Bearing Nomor 6200

Nom

or B

earin

g

d D B r

Por

os

Bah

u

Ber

at B

earin

g

Bas

ic S

tatic

Loa

d R

atin

g

Bas

ic D

ynam

ic L

oad

Rat

ing

mm mm mm in in in lb lb lb6200 10 30 9 0,024 0,500 0,984 0,07 520 8856201 12 32 10 0,024 0,578 1,063 0,08 675 1.180



6202 15 35 11 0,024 0,700 1,181 0,10 790 1.3206203 17 40 12 0,024 0,787 1,380 0,14 1.010 1.6606204 20 47 13 0,039 0,969 1,614 0,23 1.400 2.2106205 25 52 14 0,039 1,172 1,811 0,29 1.610 2.4306206 30 62 15 0,039 1,406 2,205 0,44 2.320 3.350

Gambar 3.20 Jenis Bantalan dan Dimensi Ball BearingTipe 6204

3.6 Perancangan Slider

Pada perancangan komponen mesin uji puntir terdapat

perancangan slider. Slider yang dirancang dapat bergerak

translasi (maju-mundur). Slider tersebut menompang dudukan

pillow block dan load cell beserta dudukan load cell yang berada

diatas. Slider berfungsi sebagai pengatur pada proses pengujian



agar spesimen yang diuji dapat masuk kedalam pencekam

(chuck).

Perancangan slider bertujuan untuk mengetahui gaya-

gaya yang bekerja pada slider dan menghitung faktor keamanan

pada slider. Slider yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.21

(bagian berwarna hijau) dan dudukan tetap (bagian berwarna

biru).

Gambar 3.21 Slider

Besar gaya yang bekerja pada dudukan pillow block

dapat dihitung dengan membuat diagram benda bebas dudukan

pillow block. Diagram benda bebas dapat dilihat pada gambar

3.22. Dari diagram benda bebas tersebut dapat dihitung nilai Ray

dan Rby dengan menggunakan hukum kesetimbangan.



Gambar 3.22 Diagram Benda Bebas Dudukan Pillow Block

∑ Fy =0 ;

- Ray + F−Rby=0

- R ay−Rby = -F

∑ MA =0 ;

F.L − Rby . 2L = 0

Rby = F 2

Rby = 523,60 N2

Rby = 261,79 N (F2)

≪≫ - R ay− Rby = -F

- R ay− 261,80 = -523,57 N

R ay = 261,79 N ( F1)



Dari perhitungan diatas, didapatkan gaya Ray dan Rby

sebesar 261,79 N dan 261,79. Dari hasil perhitungan tersebut

dapat digunakan untuk mencari gaya-gaya disetiap peluru slider.

Akan tetapi terlebih dahulu menghitung pusat titik massa dari luas

slider yang dirancang.

Bagian slider yang dirancang terdapat dua bagian yaitu

bagian A dan bagian B. Bagian A memiliki panjang 145 mm dan

panjang 40 mm. Bagian B memiliki panjang 190 mm dan 20 mm.

Jarak titik tengah bagian A ke pusat massa (X1) sebesar 72,5 mm

(x1). Jarak titik tengah bagian b ke pusat massa (X2) sebesar

240 mm (x2). Diagram benda bebas slider (1) dapat dilihat pada

gambar 3.23.

Gambar 3.23 Diagram Benda Bebas Slider (1)



Dari diagram benda bebas seperti gambar 3.27 dapat

ditentukan jarak pusat titik massa (Xpusat massa). Perhitungan

pertama dimulai dari menghitung luas bidang A1. Selanjutnya

menghitung luas bidang A2. Setelah mendapatkan hasil luas

bidang A1 dan A2, hasil tersebut dikalikan dengan jarak titik

tengah bagian A ke pusat massa (X1) dan jarak titik tengah

bagian b ke pusat massa (X2).

Menghitung luas bidang A1

A1 = p ×l

= 145 × 40

= 5800 mm2

Menghitung luas bidang A2

A1 = p ×l

= 190 × 20

= 3800 mm2

x pusat massa = x1 . A1 + x2 . A2

A1 + A2

= 72,5 mm . 5800 mm2 + 240 mm .3800 mm2

5800 mm2 + 3800 mm2

=1.332.500 mm3

9600 mm2



= 139 mm

Setelah pusat titik massa diketahui, langkah selanjutnya

menghitung gaya disetiap peluru slider. Gaya load cell yang

bekerja sebesar 523,60 N (FL). Gaya Fa1 sebesar 261,79 N dan

gaya Fa2 sebesar 261,79 N. Jarak gaya F1 ke titik A sebesar

257,75 mm (r1). Jarak gaya F2 ke titik A sebesar 206,75 mm (r2).

Jarak gaya F3 ke titik A sebesar 158,75 mm (r3). Jarak gaya F4 ke

titik A sebesar 111,75 mm (r4). Jarak gaya Fa1 ke titik A sebesar

41,2 mm (r5). Jarak gaya Fa2 ke titik A sebesar 158,75 mm (r6).

Jarak gaya FL ke titik A sebesar 203,7 mm (r7). Jarak gaya F1 ke

titik massa sebesar 172 mm (x1). Jarak gaya F2 ke titik massa

sebesar 124 mm (x2). Jarak gaya F3 ke titik massa sebesar 76

mm (x3). Jarak gaya F4 ke titik massa sebesar 29 mm (x4). Jarak

gaya F5 ke titik massa sebesar 82,7 mm (x5).

Diagram benda bebas slider (2) dapat dilihat pada

gambar 3.24. Dari diagram benda bebas tersebut dapat dihitung

gaya-gaya yang bekerja disetiap peluru slider. Gaya yang

pertama dihitung adalah F1. Kemudian hasil dari F1 disubtitusi

untuk mencari gaya F2, F3, F4 dan F5.



Gambar 3.24 Diagram Benda Bebas Slider (2)

Mengitung Gaya F1

∑M A=0 ;

(Fa1 . r5 )+(F L .r7 )−(Fa2 . r6 )−(F1. r1 )−(F 2.r 2)−(F3. r3 )−(F 4.r 4 )=0

(261,8 N .41,2mm )+ (523,6N .203,7mm )−(261,8N .158,75mm )−(F 1.257,75mm )−(F2.206,75mm )−(F3.158,75mm )− (F 4.111,75mm )=0



75.895,64 N .mm=(F1.257,75mm )+ (F 2.206,75mm )+(F3.158,75mm )+(F 4.111,75mm )

75.895,64 N .mm=(F1.257,75mm )+( F1. x2

x1.206,75mm)+( F1. x3

x1.158,75mm)+( F1. x4

x1.111,75mm)

75.895,64 N .mm=(F1.257,75mm )+( F1. 124172

.206,75mm)+(F1. 76172

.158,75mm)+(F1. 29172

.111,75mm) 75.892,09N .mm=F1 .495,79mm

F1 = 153,1 N

Menghitung gaya F2

F2 =F1 . x2

x1

= 153,1 . 124 172

= 110,4 N

Menghitung gaya F3

F3 = F1 . x3

x1

= 153,1 . 76 172



= 67,6 N

Menghitung gaya F4

F4 =F1 . x4

x1

= 153,1 . 29 172

= 25,8 N

Menghitung gaya F5

∑ Fy =0 ;

Fa1 - F5 + Fa2 - FL + F1 + F2 + F3 + F4 = 0

261,79N−F5+261,80N−523,60N+153,1N+110,4 N+67,6 N+25,8N=0

261,79 N - F5 + 95,09 N = 0 -F5 = -261,79 N - 95,09 N F5 = 356,87 N

3.7 Perancangan Kopling Tetap



Kopling tetap ini merupakan salah satu komponen

standard yang digunakan pada perancangan konstruksi mesin uji

puntir. Perancangan kopling tetap dirancang untuk

menghubungkan dua buah poros secara bersama dengan tujuan

meneruskan daya dan putaran. Kopling tersebut digunakan pada

rancangan untuk menghubungkan ujung poros tuas pemutar

dengan poros input gearbox dan poros output gearbox dengan

poros pencekam 1 agar tidak terdapat gerak relatif diantara

keduanya.

Jenis kopling tetap yang digunakan adalah kopling luwes

(fleksibel) dengan material baja. Diameter luar kopling tersebut 54

mm dan diameter dalam disesuaikan dengan poros yang

dirancang. Kopling tetap luwes dapat dilihat pada gambar 3.25.

Gambar 3.25 Kopling Tetap Luwes (fleksibel)

3.8 Perancangan Piringan Sensor



Perancangan piringan sensor ini dipasang pada tuas

pemutar berfungsi sebagai alat bantu pendeteksi putaran pada

saat proses pengujian. Sedangkan alat pendeteksi putaran yaitu

memakai sensor proximity. Sensor proximity adalah sensor untuk

mendeteksi ada atau tidaknya suatu objek. Objek yang dimaksud

adalah besi atau logam.

Piringan sensor ini berbentuk lingkaran dengan diameter

160 mm dan dipenampangnya dipasang baut-mur dari logam

sebanyak 12 buah. Pada saat proses pengujian tuas berputar

dan piringan ikut berputar sehingga sensor proximity dapan

mendeteksi baut-mur menjadi berapa putaran untuk memuntir

spesimen. Piringan sensor dapat dilihat pada gambar 3.26.

Gambar 3.26 Piringan Sensor


bab irepository.unpas.ac.id/28683/4/6.bab iii-ku.docx · web viewbab iii perancangan konstruksi...

Documents